探討FLAC3D在深基坑開挖與支護數值模擬中的應用

申強利 田明磊 陳俊

河南省地礦局第二地質環境調查院（450003）

探討FLAC3D在深基坑開挖與支護數值模擬中的應用

申強利1田明磊2陳俊3

河南省地礦局第二地質環境調查院（450003）

首先介紹某商品寫字樓的深基坑開挖工程，進而利用FLAC3D的計算模型來對該工程進行數值模擬，結合模擬方案對結果數據進行分析。

FLAC3D；深基坑；開挖與支護；數值模擬

隨著社會的不斷進步，高層建筑的需求也日益增加。深基坑開挖與支護的施工質量也引起了較多學者的關注，通過對深基坑進行相關的數據模擬和分析，可以更好地控制工程的設計以及工程質量。

1 工程案例

1.1 工程概況

某工程為32層的商品寫字樓建筑,地上30層,地下2層，建筑高度達108.0m，建筑物長37.0m，寬31.5m，總建筑面積為20 477.0m2。基坑開挖12m（從地面算起，±0.00設計標高為1085.50m）。該基坑周圍建筑物較密集，地下管道復雜，評定為二級重要性等級。

1.2 地質條件

根據地質勘測結果，該場區的地層結構無較大的不良地質現象，具體如下:

1）場區地層分布

①填土:場區內分布不均勻，厚度達0.00～3.00m，主要構成物質為磚瓦、碎石、煤渣、雜色黏土等，層次性不強，結構較為疏散，具有較高的強度和壓縮性。

②紅黏土:場區內分布較為廣泛,厚度3.00～6.50m。土層呈褐黃色，上軟下硬，具有較低的強度和較高的壓縮性。

③基巖:地層產狀220°∠18°～22°，巖層呈深灰色或紫紅色，是三疊系松子坎組地層。

2）地下水

①上層滯水:一般存在于雜填土層的孔隙中,水量較小，且排泄方便，對深基坑影響較小。

②基巖裂隙水:地下靜水水位深度14.2～16.8m，本次深基坑開挖深度為12.0m，因此地下水的影響可忽略不計。

2 數值模擬分析

2.1 土體模擬

深基坑土層結構的復雜性決定了其力學特性的多樣性,由于土體容易產生不可恢復的彈性變形，因此,可運用摩爾-庫倫的彈塑性模型對其進行計算分析[1]。

1）屈服準則

摩爾-庫倫屈服準則為:

其中，c表示黏聚力，Ф表示摩擦角。

2）流動準則

在屈服之后，土體主要由彈性和塑性兩個特性構成，這兩個變量的增加共同決定了土體的應力變化[2]:

在FLAC3D中，剪塑性流動以及拉塑性流動分別具有不同的定義，且對應不同的流動法則。

剪塑性流動對應非關聯流動法則，其勢函數為:

其中φ為剪脹角。

拉塑性流動對應相關聯流動法則，其勢函數為:

2.2 支護結構模擬

采用FLAC3D中的錨索結構對土釘進行設計，采用FLAC3D中的殼結構對混凝土面進行設計。具體參數如表1、表2。

表1 土釘的材料特性

表2 混凝土面層參數

2.3 模擬方案

該工程開挖深度為12.0m，長37.0m，寬31.5m。整體的開挖及支護分為4個步驟完成:開挖3m的深度,將第一層鋼支撐設置在2m深的位置;繼續開挖至6m,將第二層鋼支撐設置在5m深的位置；繼續開挖至9m,將第三層鋼支撐設置在8m位置；繼續開挖至12m，將第四層鋼支撐設置在10m位置。

2.4 結果分析

按照開挖及支護的步驟，利用FLAC3D進行了模擬計算分析，分別表現為地表沉降情況、水平位移情況以及基底隆起情況。

1）地表沉降情況

隨著開挖深度的不斷加深，地表的沉降值不斷增大，沉降值在0.0～38.0mm之間波動，最大沉降值38.0mm出現在基坑開挖的第四步。

2）水平位移情況

基坑深度的不斷加大會造成土體水平位移的增大，水平位移值在0.0～30mm，水平位移的最大值總是出現在每一開挖步驟完成后，主要是因為土體的開挖促使墻體前后的水土壓力平衡遭到破壞，每當一段開挖步驟完成，墻體會出現一定程度的水平變形來達到新的平衡狀態。

3）基底隆起情況

在開挖深度不斷增加的情況下，基底隆起的位移也不斷加大,位移值在0.0～40.0mm之間波動，最大位移值40.0mm出現在基地中部。

3 結語

以某商品寫字樓的深基坑開挖工程為例,對其進行了FLAC3D數值模擬分析，結果表明在深基坑開挖的過程中會產生不同程度的沉降及水平位移，只有加強對基坑開挖過程中變形的控制，才能保證工程的質量。可見，FLAC3D數值模擬分析可以對深基坑的穩定性進行分析，有利于工程的設計以及施工過程的控制。

[1]郭海燕,李勝林,張云,等.深基坑開挖與支護的有限元模擬[J].中國海洋大學學報(自然科學版),2009,39(1):165～168.

[2]柳玉吾,褚衛瑞.深基坑開挖及支護數值模擬基本過程研究[J].科技創新導報,2012,08(12):5～6.